分布式電源接入配電網(wǎng)的繼電保護研究

宋 健 ，許 喆 ，翟 爽 ，徐永健 ，王 丹

（1.國網(wǎng)山東省電力公司東營供電公司，山東 東營 257091；2.山東科技大學 電氣與自動化工程學院，山東 青島 266590；3.東營方大電力設(shè)計規(guī)劃有限公司，山東 東營 257091）

0 引言

分布式電源（Distributed Generation，DG）的大量并網(wǎng)，對電力系統(tǒng)可靠性與穩(wěn)定性產(chǎn)生了一定沖擊，尤其對繼電保護的影響不容忽視。DG的接入使得電力系統(tǒng)的運行環(huán)境變得更加復(fù)雜，傳統(tǒng)單側(cè)電源供電變?yōu)殡p側(cè)甚至多側(cè)電源供電，潮流的流向也隨之發(fā)生了變化［1］。這些重要的變化使得原有保護策略中的保護定值、動作時限等環(huán)節(jié)受到了影響［2］。

針對復(fù)雜多變的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和運行方式，國內(nèi)外學者對接入分布式電源的配電系統(tǒng)的保護研究已經(jīng)高度重視，目前提出的保護策略主要包含改進的傳統(tǒng)電流保護［3-4］、縱聯(lián)保護［5］、距離保護［6］、采用通信技術(shù)的集成式保護［7］和采用基于故障暫態(tài)信息的保護方案［8］等。這些不同的保護策略根據(jù)其自身特點適用于不同的場合。

結(jié)合東營河口區(qū)風電和市轄區(qū)光伏接入東營配電網(wǎng)的現(xiàn)狀，從短路電流、三段式電流保護2個方面分析DG接入對東營配電網(wǎng)繼電保護方面產(chǎn)生的影響，并針對其中存在的問題提出相應(yīng)的解決措施。

1 DG接入對傳統(tǒng)配網(wǎng)保護的影響

1.1 短路電流

當分布式電源接入配電網(wǎng)后，系統(tǒng)側(cè)即故障點上游提供的短路電流要明顯小于分布式電源側(cè)即故障點下游提供的短路電流。它的作用機理是除了系統(tǒng)電源之外，分布式電源同樣會對故障點注入短路電流，使得分布式電源側(cè)的短路電流增大，而且分布式電源對于接入點電壓具有助增作用。

由于分布式電源類型、并網(wǎng)容量的不同，對系統(tǒng)產(chǎn)生短路電流的影響也會有所差別。以光伏電源為例，它對系統(tǒng)所注入的短路電流遠小于并網(wǎng)后提供的短路電流。設(shè)分布式電源并網(wǎng)前其節(jié)點阻抗矩陣為Z，由于其并網(wǎng)后網(wǎng)絡(luò)中的元素會發(fā)生改變，采用支路追加法和迭代法對并網(wǎng)后的節(jié)點阻抗矩陣進行修改：

式中：Zij、Zik、Zkj為相應(yīng)節(jié)點之間的互阻抗；Zkk為節(jié)點k的自阻抗；xkG為節(jié)點k的等效電源并聯(lián)電抗；m為DG編號；b（m）為編號為m的DG對應(yīng)的安裝母線；xb（m）G為含 DG 的母線 m 處的等效電抗。

當母線n發(fā)生三相短路時的短路電流計算公式為

式中：Z′nn為節(jié)點阻抗陣Z′中節(jié)點 n 的自阻抗；Un（0）為故障母線n正常時的電壓?？紤]到規(guī)劃問題的精度，在實用計算中也可以取為1.0。而以并網(wǎng)容量為例，將其參數(shù)值隨容量變化的公式簡化為

式中：xmax、xmin分別為分布式電源的次暫態(tài)電抗的上下限；SG為系統(tǒng)的容量；SS為額定容量；SB為經(jīng)過標幺值換算后系統(tǒng)的基準容量。

此外，并網(wǎng)位置的不同也會對短路電流產(chǎn)生一定的影響。當分布式電源處于線路首端與末端時，它所帶來電壓的提升效果也是不同的。一般而言，當分布式電源處于線路首端時對于短路電流產(chǎn)生的影響最小，而位于線路中段時對于短路電流的影響最大。

1.2 三段式電流保護

首先以系統(tǒng)側(cè)相鄰饋線K1點處發(fā)生故障為例，分析DG接入對電流保護的影響。如圖1所示，DG將通過母線向K1提供反向短路電流。若斷路器QF1、QF2配置的保護未裝設(shè)功率方向元件，當DG的容量足夠大時，有可能引起QF1、QF2的保護誤動作［9］。

圖1 DG倒送電流

以圖2所示的情況為例，當接入變電站附近的DG1下游K1點發(fā)生短路故障時，由于DG的存在，QF1處保護檢測到的故障電流會降低，從而導(dǎo)致DG1處裝設(shè)的保護的動作靈敏度降低，有可能會發(fā)生拒動。

圖2 DG降低線路保護的靈敏度

若K2點發(fā)生故障時，DG1所產(chǎn)生的故障電流會使QF2處檢測到的故障電流增大，從而增加了QF2處保護的可靠性；同理當K3點短路時，由于DG1對故障電流的助增作用，QF2與QF3檢測到的故障電流會隨之增大。雖然保護安裝處的可靠性增加，但是當QF2檢測到的故障電流增大到動作電流值時，保護 2就會發(fā)生誤動，喪失選擇性［10］。

2 算例分析

2.1 算例1

以東營市建造開發(fā)的第1個風電場、總裝機容量為48 MW的河口仙河華能風電場為例，將其接入東營河口區(qū)電網(wǎng)的等效模型進行簡化處理，如圖3所示。

圖3 部分風電接入東營電網(wǎng)等效模型

河口區(qū)的風電場多數(shù)在配網(wǎng)饋線末端接入，將變電站及其上游線路部分等效為無窮大電源。假設(shè)線路AD段發(fā)生短路故障，且由DG提供的短路電流足夠大，會造成短路點處的電壓升高，由于DG也會產(chǎn)生故障短路電流，所以系統(tǒng)側(cè)提供的短路電流會減小，這會降低保護3的靈敏度，嚴重時會引起保護3誤動。

結(jié)合東營地區(qū)實際情況，河口區(qū)風電站采用三段式電流保護與距離保護相配合，并配有低電壓穿越功能的保護策略，雖然在一定程度上相對于電流保護性能更加完善，但是距離保護也會受到分布式電源提供的故障電流的影響，同時短路點過渡電阻也會對距離保護產(chǎn)生較大影響。

針對東營河口區(qū)風電接入配網(wǎng)存在的問題，結(jié)合風電站電壓等級高、裝機容量大的特點，考慮采用分區(qū)縱聯(lián)保護的改進策略來解決現(xiàn)階段河口區(qū)繼保方面的突出矛盾。如圖4所示，以單DG接入母線的情況為例，提出分區(qū)縱聯(lián)保護方案，并分析其對繼電保護裝置的影響。

圖4 單DG情況下的保護方案

1）分區(qū)。本方案以DG接入點所在位置為界，將饋線2劃分成區(qū)域1（DG上游）、區(qū)域2（DG下游）2個區(qū)域。

2）保護策略。

在區(qū)域1相應(yīng)位置加裝斷路器以及保護裝置5?？紤]到當區(qū)域1發(fā)生故障時，若DG提供的輸出功率較小或者已經(jīng)退出運行，可能會導(dǎo)致保護5處的方向元件靈敏度不足，發(fā)生拒動，所以在保護5處還應(yīng)配置弱饋保護。

為保證當區(qū)域1內(nèi)發(fā)生故障時能瞬時動作保護整個區(qū)域，在保護4和5處應(yīng)配置方向縱聯(lián)保護并設(shè)置重合閘功能。由于保護5的重合閘功能必須在保護4判為瞬時性故障時由保護4來起動，因此保護5處的重合閘需要具備檢同期功能。

保護3和4處需要配置帶有方向元件的定時限過電流保護。

3）整定值。由上述的分析可知，DG的接入將不會對饋線2上定時限過電流保護之間的配合產(chǎn)生影響，所以不用進行重新整定。

2.2 算例2

選取東營某城區(qū)的一個直接接在線路上的6 MW屋頂分布式光伏發(fā)電項目為參考對象，對其線路結(jié)構(gòu)簡化處理如圖5所示。

圖5 光伏項目接入配網(wǎng)等效處理

將光伏電源及上游線路等效為10 kV系統(tǒng)電源，主要研究系統(tǒng)發(fā)生三相短路故障時保護的動作情況，即考慮系統(tǒng)最大運行方式下繼電保護裝置相應(yīng)的動作情況。利用PSCAD軟件搭建算例仿真模型，模型搭建后，進行仿真計算，首先測量未接入光伏電源時，CD線路末端（即K2點）發(fā)生三相短路時，相應(yīng)的故障電流波形如圖6所示。

由圖6可看出，當K2點發(fā)生三相短路故障時，根據(jù)前文的理論基礎(chǔ)，K2點產(chǎn)生的短路電流將不會影響相鄰饋線的電流。在分析完未接入分布式電源情況下的故障電流情況之后，在母線C處加入相應(yīng)的光伏電源，電源容量為6 MW，故障持續(xù)時間仍設(shè)定為10 s，繼續(xù)分析K2處發(fā)生三相短路故障時，故障電流波形如圖7所示。

圖6 未接入光伏時故障電流波形

當K2點發(fā)生三相短路故障時，由于光伏電源的接入，除系統(tǒng)電源之外，網(wǎng)絡(luò)又變?yōu)殡p側(cè)電源供電，故障點下游的短路電流增加，從而使得線路保護2處檢測到的短路故障電流增大，在一定程度上提高了保護2的可靠性。由于保護1也位于故障點下游，按照作用機理其檢測到的短路電流也會增大，這很有可能引發(fā)保護1處產(chǎn)生誤動作。

圖7 發(fā)生故障時電流仿真波形

此外，通過母線光伏電源也會給饋線2、饋線3提供相應(yīng)的反向短路電流，在可能會引發(fā)相鄰饋線保護的誤動的同時，由于保護3處于系統(tǒng)側(cè)，系統(tǒng)側(cè)提供的短路電流將會相應(yīng)減小，從而使得保護3處檢測到的短路故障電流也將減小，嚴重時會引發(fā)保護3的拒動。通過上述兩種故障波形圖的對比也可以明顯看出，在接入光伏電源后故障點K2上游產(chǎn)生的短路電流相較于光伏電源未接入時有明顯增加，而K2下游產(chǎn)生的短路電流相較于接入之前存在下降的趨勢，從而驗證了前文理論研究的正確性。

根據(jù)實地考察，光伏并網(wǎng)一般采用就近原則，規(guī)劃性較差。保護策略大多采用傳統(tǒng)的三段式電流保護，其保護元件一般不具備方向性，當其他并聯(lián)分支線路發(fā)生故障時，會引起安裝有DG的分支上繼電器的誤動。提出一套將距離保護和電流保護相結(jié)合的配電網(wǎng)繼電保護配置與整定原則：

1）當DG接入后，保護安裝處的三段式電流保護仍能滿足靈敏度要求的，仍然按照傳統(tǒng)的電流保護整定原則進行整定。

2）當DG接入后，保護安裝處的三段式電流保護無法滿足靈敏度要求的，改為裝設(shè)距離保護。

3）分DG并網(wǎng)點上游的線路末端在需要時應(yīng)加裝相應(yīng)保護裝置，以保證全線任意位置故障都能可靠切除；同時并網(wǎng)點上游的保護安裝處應(yīng)考慮配置方向元件，防止本線路保護反向誤動。

3 結(jié)語

以東營河口區(qū)風電與市轄區(qū)光伏為例，從短路電流、三段式電流保護2個方面分析分布式電源接入配電網(wǎng)對繼電保護裝置產(chǎn)生的影響。

針對風電站電壓等級高、容量大的特點，考慮采用分區(qū)縱聯(lián)與過電流保護相配合的保護策略，在DG上游的保護裝置應(yīng)加裝功率方向元件；系統(tǒng)側(cè)保護裝置配置自動重合閘前加速功能，DG側(cè)重合閘裝置配置檢同期功能，在一定程度上減少了誤動、拒動現(xiàn)象的發(fā)生率。

針對光伏電站布局分散的情況，考慮在盡量不改變原有電流保護的基礎(chǔ)上，在不滿足靈敏度要求的保護安裝處配置距離保護同時加裝方向元件，從而防止本線路保護反向誤動。